無線傳感網(wǎng)絡中基于鏈路質量的能效任播路由

龍 飛

(長春師范大學教育學院，長春 130032)

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(WSNs)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，包括軍事等領域廣泛使用[1-2]。WSNs是由微型、具有通信及感知能力的節(jié)點組成，這些節(jié)點感知環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，進而實現(xiàn)監(jiān)測環(huán)境的目的。

節(jié)點由干電池供電，當節(jié)點的電量耗盡時，節(jié)點就無法完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿眨纬伤劳龉?jié)點。死亡節(jié)點一旦增多，網(wǎng)絡性能必然下降[3]。

業(yè)界采用低占空比[4-5]的節(jié)能技術緩解WSNs的網(wǎng)絡能耗，進而延長網(wǎng)絡壽命。在一個周期內，占空比越低，節(jié)點工作時間越短，則休眠時間越長。節(jié)點在休眠期間的能耗遠低于其在工作時間的能耗。因此，通過延長休眠時間可以降低節(jié)點能耗。當需要接收或者傳輸數(shù)據(jù)時，就喚醒節(jié)點。

除了節(jié)點能量消耗之外，數(shù)據(jù)傳輸率也是WSNs應用必須考慮的因素。任播是兼顧節(jié)點能耗和數(shù)據(jù)傳輸率的有效路由策略之一。第6版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol version 6, IPv6)將任播定義為一種新型通信服務[6]，網(wǎng)絡負責盡力將數(shù)據(jù)包傳遞至任播地址中的一個。

多數(shù)學者在構建任播路由時引用信息生成樹[7-8]。例如，文獻[9]提出基于信息生成樹的多跳喚醒轉發(fā)路由(collection tree protocol-based multi-hop wake-up relay, CTP-WR )。CTP-WR路由利用期望傳輸次數(shù)(expect transmission count, ETX)構建路由指標，再由此路由指標生成路由樹，如圖1(a)所示。圖中顯示了以節(jié)點A為根節(jié)點的樹，子節(jié)點E和F將信息傳輸至父節(jié)點C。節(jié)點C再將信息傳輸至根節(jié)點A。將任播技術應用于數(shù)據(jù)收集，樹狀結構就成為目的節(jié)點定向的有向非循環(huán)圖[10], 如圖1(b)所示。

圖1 數(shù)據(jù)收集拓撲圖

文獻[10]提出基于期望占空比喚醒指標的機會路由(opportunistic routing based expected duty cycled wakeups, ORW)，其引用了期望占空比喚醒(expected duty cycled wakeups, EDC)變量作為任播指標。EDC反映了將數(shù)據(jù)包傳輸至信宿所需期望的喚醒次數(shù)。但是EDC的物理意義并不明確，也沒有重點分析傳感節(jié)點的能耗問題。

為此，面向采用低占空比策略的WSNs，提出基于鏈路質量的能效任播路由(LQAR)。LQAR路由先利用數(shù)據(jù)包接收率和距離估計鏈路質量，再結合能耗和鏈路質量估算節(jié)點成為候選轉播節(jié)點的權重。仿真結果表明，提出的LQAR路由有效地緩解節(jié)點能耗，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 網(wǎng)絡模型

1.1 工作調度

n個節(jié)點隨機分布在×的方形區(qū)域內，匯聚節(jié)點位于區(qū)域中心，所有節(jié)點都采用低占空比工作模式。每個節(jié)點獨立完成自己的工作調度，調度以周期方式進行。假定節(jié)點的周期為L個時隙(時隙是指將時間劃分更小的時間間隔[11])，如圖2所示，圖中L=4, 在每個周期內，節(jié)點在第2個時隙進行工作，其他時隙休眠。

圖2 節(jié)點的工作調度示例

節(jié)點有休眠和工作兩種狀態(tài)：當節(jié)點在休眠時，它只保留1個用于喚醒自己的定時器，關閉其他所有的模塊；當節(jié)點在工作狀態(tài)時，就保持工作狀態(tài)，如感知環(huán)境數(shù)據(jù)、偵聽信道等。

1.2 節(jié)點能耗模型

如圖3所示的能量消耗模型[12]。令Et(m,d)表示節(jié)點傳輸mbit數(shù)據(jù)、且傳輸距離為d(單位：m)時所消耗的能量, 下標“t”表示傳輸；令Er(m)表示接收mbit數(shù)據(jù)所消耗的能量，下標“r”表示接收，它們的定義分別如式(1)和式(2)所示：

Et(m,d)=mEel+mεd2

(1)

Er(m)=mEel

(2)

圖3 能量消耗模型

式中：Eel表示發(fā)送電路的能耗；ε表示功放電路的能耗參數(shù)。

2 LQAR路由

在網(wǎng)絡建立的初始階段，節(jié)點周期的廣播Hello包包含了節(jié)點的編號(ID)、位置以及剩余能量。通過Hello包的交互，節(jié)點獲取鄰居節(jié)點的位置以及剩余能量信息。

2.1 鏈路質量估計

采用數(shù)據(jù)包接收率和距離兩項信息估算鏈路質量。首先，利用式(3)計算數(shù)據(jù)包接收率：

(3)

式中：Ni表示節(jié)點i的一跳鄰居節(jié)點，下標“i”表示節(jié)點i；Pi,j表示節(jié)點i從其鄰居節(jié)點j所接收數(shù)據(jù)包成功率，下標“i,j”表示節(jié)點i，節(jié)點j；pk,j為布爾變量。若pk,j=1，則表明節(jié)點i第k次成功地從節(jié)點j接收了數(shù)據(jù)包；反之，若pk,j=0，則表明節(jié)點i在第k次未能成功地從節(jié)點j接收數(shù)據(jù)包。

再依據(jù)Pi,j取值，將鏈路質量劃分成3個等級：1) 優(yōu)質區(qū)：Pi,j>0.9；2) 合格區(qū)：0.1≤Pi,j≤0.9；3) 劣質區(qū)：Pi,j<0.1。

最后，依據(jù)式(4)估計節(jié)點i與節(jié)點j間所形成的鏈路質量Qi,j：

(4)

2.2 路由指標

若源節(jié)點i需要傳輸數(shù)據(jù)，首先需構建任播節(jié)點集。令Fi表示源節(jié)點i的任播節(jié)點集，其屬于一跳鄰居集的子集，即Fi?Ni。

結合能耗率和鏈路質量，計算節(jié)點被選入候選任播節(jié)點集的權重：

(5)

式中：Wi,j表示節(jié)點j∈Ni的權重因子。從式(5)可知，權重因子越大，就意味著節(jié)點的能耗小，數(shù)據(jù)包傳遞率高。因此，擇優(yōu)選擇權重因子大的節(jié)點加入候選任播節(jié)點集。

(6)

(7)

(8)

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

(9)

從式(9)可知，集Fi內節(jié)點數(shù)越多，監(jiān)聽時間越短。原因在于：節(jié)點數(shù)越多，F(xiàn)i內出現(xiàn)喚醒狀態(tài)的節(jié)點概率越高，這就無需設置更長的監(jiān)聽時間。

收到請求包后，節(jié)點回復確認包。一旦收到確認包，節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)。圖4給出數(shù)據(jù)傳輸示例，其中“Q”表示請求包，“P”表示確認包，“D”表示數(shù)據(jù)。節(jié)點i的任播節(jié)點集內有兩個節(jié)點，即Fi={j1,j2}。源節(jié)點i先向Fi內節(jié)點廣播請求包，然后進入監(jiān)聽。假定節(jié)點j1收到請求包，并向節(jié)點i回復確認包。最后，節(jié)點i向節(jié)點j1發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示例

3 性能仿真

3.1 仿真環(huán)境

利用MATLAB R2014b建立仿真平臺。在100 m×100 m區(qū)域內隨機分布400個節(jié)點。匯聚節(jié)點位于區(qū)域中心，且匯聚節(jié)點坐標為(50 m,50 m)。具體的仿真參數(shù)如表1所示。每個實驗獨立重復20次，取平均值作為最終的實驗數(shù)據(jù)。

表1 仿真參數(shù)

選擇CTP-WR和ORW路由作為參照，并對比分析它們的能耗、傳輸數(shù)據(jù)的端到端時延以及數(shù)據(jù)包傳遞率。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 節(jié)點數(shù)對性能的影響

圖5給出了平均能耗隨節(jié)點數(shù)的變化曲線，其中TW=2 s，節(jié)點數(shù)在25至400之間變化。從圖5可知，ORW中平均能耗隨節(jié)點數(shù)的增加而上升。而LQAR路由和CTP-WR路由的平均能耗隨節(jié)點數(shù)的增加而下降。原因在于：對于單播策略的ORW，節(jié)點數(shù)越多，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)呐鲎猜试礁摺６鴮τ诓捎萌尾ゲ呗月酚啥裕?jié)點數(shù)越多，轉發(fā)節(jié)點數(shù)也越多，節(jié)點間的能耗也越平衡。相比于CTP-WR路由，LQAR路由降低了能耗。例如，當節(jié)點數(shù)N=400, LQAR路由的能耗比CTP-WR路由降低了25%。

圖5 平均能耗隨節(jié)點數(shù)變化情況

圖6描述了LQAR路由的平均端到端傳輸時延隨節(jié)點數(shù)的變化情況。從圖6可知，LQAR路由降低端到端傳輸時延，遠低于CTP-WR和ORW路由的進延。這歸功于：LQAR路由保持穩(wěn)定路由。它通過能耗和數(shù)據(jù)包接收率構建轉發(fā)節(jié)點集，降低路由斷裂的概率，提高了路由穩(wěn)定性，進而縮短了數(shù)據(jù)傳輸時延。

圖6 平均端到端時延隨節(jié)點數(shù)變化情況

圖7描述了數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點數(shù)的變化情況。從圖可知，相比于CTP-WR和ORW路由，LQAR路由具有最高數(shù)據(jù)包傳遞率。在節(jié)點數(shù)變化期間，它的數(shù)據(jù)包傳遞率保持近100%。而CTP-WR和ORW路由的數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點數(shù)增加有下降趨勢。原因在于：LQAR路由選擇穩(wěn)定的路由傳輸數(shù)據(jù)包，提升了數(shù)據(jù)傳遞成功率。

圖7 數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點數(shù)變化情況

3.2.2 喚醒間隔對路由性能的影響

本節(jié)分析喚醒間隔TW路由性能的影響。實驗參數(shù)：節(jié)點數(shù)100，1/λ=30 s。TW取0.25,0.5,1.0,2.0,4.0，如圖8～圖10所示。

圖8 平均能耗隨喚醒間隔變化情況

圖9 平均端到端時延隨喚醒間隔變化情況

圖10 數(shù)據(jù)包傳遞率隨喚醒間隔變化情況

從圖8可知，協(xié)議在TW=2 s時的能耗最低。而相比于ORW路由，LQAR路由的平均能耗降低了約20%。在TW>2 s期間，LQAR路由的能耗隨喚醒間隔的增長變化速度減緩。此外，回顧圖7，CTP-WR和LQAR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點數(shù)的變化趨勢相近，原因在于：CTP-WR和LQAR路由的構建機制相同，只是它們選擇的路由指標不同。因此，它們的平均能耗隨喚醒間隔的變化曲線相近，但是LQAR路由的平均能耗仍低于CTP-WR的能耗。

圖9描述了平均端到端時延隨喚醒間隔的變化曲線。由圖可知，平均端到端時延隨喚醒間隔的增加而增加。喚醒間隔越大，節(jié)點等待時間越長，增加了傳輸數(shù)據(jù)包的時延。相比于CTP-WR路由，LQAR路由的傳輸時延得到有效控制，原因在于：LQAR路由的數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定，避免重傳數(shù)據(jù)包，縮短數(shù)據(jù)包的傳輸時延。

圖10描述了數(shù)據(jù)包傳遞率隨喚醒間隔的變化曲線。在喚醒間隔變化期間，3個路由(LQAR，CTP-WR和ORW)的數(shù)據(jù)包傳遞率保持穩(wěn)定。相比于CTP-WR和ORW路由，LQAR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率略有上升。

4 總結

針對低占空比的WSNs，提出基于鏈路質量的能效任播路由。LQAR路由采用任播路由策略，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。LQAR路由利用節(jié)點能耗速率和鏈路質量構建任播節(jié)點集，再從任播節(jié)點集中選擇最優(yōu)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包，進而降低節(jié)點能耗。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的LQAR路由降低了能耗速率，提升了數(shù)據(jù)包傳遞率。

喚醒間隔對數(shù)據(jù)傳輸時延和能耗有重要影響，并且數(shù)據(jù)傳輸時延和能耗隨喚醒間隔的變化走勢相反。文中采用固定的喚醒間隔，沒有動態(tài)設置喚醒間隔，后期將研究如何依據(jù)網(wǎng)絡拓撲信息，動態(tài)地設置喚醒間隔，進一步優(yōu)化LQAR路由。